超宽带技术研究报告

目录

1.介绍 (2)

2.超宽带技术的工作原理及其演化 (2)

3.主流超宽带通信技术介绍 (3)

3.1 MB-OFDM技术介绍 (4)

3.1.1为什么采用OFDM技术 (4)

3.1.2频谱划分 (5)

3.1.3OFDM技术 (6)

3.1.4时频码 (7)

3.2 DS-CDMA技术介绍 (7)

3.2.1频谱划分 (7)

3.2.2DS-CDMA技术 (8)

3.2.3共同信令模式 (10)

4.UWB系统的MAC层发展现状 (11)

5.超宽带系统与其他无线通信系统的兼容 (14)

5.1 FCC的UWB频谱规划 (14)

5.2 ETSI的UWB频谱规划 (15)

5.3 ITU的UWB电磁兼容性研究 (16)

5.4 中国对UWB电磁兼容性研究 (18)

6.超宽带通信技术的标准化、产业化及应用 (18)

6.1 UWB技术的标准化进程 (18)

6.2 UWB技术的应用前景 (19)

7.IEEE 802.15.4A标准化近况 (22)

8.结论与未来工作展望......................................................................... 错误！未定义书签。

1.介绍

超宽带（Ultra Wideband，UWB）技术是现在正在被广泛研究的一种新兴无线通信技术。一方面，由于其具有高数据率（可达100Mbps~1Gbps）、低功耗和低费用等特点，为无线通信的发展开辟了新的机遇。另一方面，由于其占用极宽的带宽，与其他通信系统共享频段，又给干扰、兼容等相关领域的研究带来了挑战。

最近，美国联邦通信委员会（FCC）已经规定UWB系统可以使用3.1GHz~10.6GHz的频段，但有效各向同性发射功率（EIRP，Effective Isotropic Radiated Power）不得超过-41.3dBm/MHz。频谱规划的确定使UWB技术的研发骤然加速。在过去的一两年中，各种技术方案围绕国际标准的制定展开了激烈的竞争。同时UWB芯片的开发业紧锣密鼓地进行，第一批UWB设备有可能在2004年底面市。而我国在UWB方面的研究还有很多工作要做：频谱尚未划分，发射功率的限制要求尚未确定，作为频谱划分依据的兼容性研究和测试技术尚不成熟，技术方案尚未选定。

本报告试图对当今国际上UWB技术的发展现状和发展前景做一介绍，并对我国在UWB 方面的标准化和产业化提出一些建议。需要说明的是，UWB技术并不仅仅应用于通信领域，它在雷达成像、车载防撞雷达、定位、测距等方面也有很多应用。本报告主要涉及UWB通信技术。

本报告的内容将分成如下几部分：第二节将介绍超宽带技术的原理及近年来该技术的概念的变化。第三节将对现在有可能成为国际标准的两种主流UWB技术方案进行介绍，并比较它们的优缺点。第四节将对UWB技术的应用前景做一展望。第五节将讨论UWB技术的兼容性问题。第六节将对我国在UWB标准化和产业化过程中应做的工作提出建议。

2.超宽带技术的工作原理及其演化

UWB技术被看作是近几年在无线通信领域兴起的一种新技术。但实际上，这项技术已经有几十年的历史了。UWB最初的定义是来自于60年代兴起的脉冲通信技术，又成为脉冲无线电（Impulse Radio）技术。与在当今通信系统中广泛采用的载波调制技术不同，这种技术用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为基带传输（baseband transmission）或无载波（carrierless）技术。

脉冲UWB技术的脉冲长度通常在亚纳秒量级，信号带宽经常达数GHz，比任何现有的无线通信技术（包括以3G为代表的宽带CDMA技术）的带宽都大得多，所以最终在1989年被美国国防部称为超宽带技术。传统脉冲UWB信号通常具有很小的占空比（duty cycle）（10-2~10-3），这决定了这种UWB设备的平均发射功率很低，甚至是现有的蓝牙（Bluetooth）系统的1/100至1/1000。

如此低的发射功率带来的诸多好处：首先，这使UWB系统可以与其他无线通信系统“安静的共存”。可以理解，UWB系统所要求的超宽频段不可能通过独占许可频段来获得，所以UWB设备的发射功率必须降到背景噪声的水平，以便和其他无线系统共享频段。其次，极低的发射功率也使UWB设备具有很低的能耗。由于功率放大器通常可以被省去，UWB 设备具有很低的成本。最后，极低的发射功率也使UWB信号很难被监听，从而有很好的保密性。另外，低占空比的脉冲UWB设备也有很好的抗多径干扰性能。由于脉冲宽度很小，来自其他径的信号分量很容易被时域滤波器滤掉。

尽管脉冲UWB系统由上述的优点，但其频谱利用率较低，脉冲成形滤波过程中残留的带外频率分量可能产生难以预估的干扰，也有研究指出使用CMOS实现脉冲UWB系统有

一定的困难。另外，早期脉冲UWB技术的专利多掌握在一些小公司手中。基于上述的原因，当近几年Intel、TI、Motorola等大公司进入这一领域时，不约而同的摒弃了脉冲方法，转而对传统的载波调制技术进行改造，使其具有UWB技术的特点。

从UWB技术本身的工作机理分析，该技术的某些特点与使用脉冲技术没有必然的联系。根据香农公式，无线信道的容量极限是与其占用的带宽成正比的，UWB能实现很高的数据率，是由于其占用很大的带宽。如果载波调制技术经过改进可以利用很大的带宽，理论上也可以实现很高的容量。

当前对于UWB技术的定义不是根据其使用的调制方式，而是根据其使用的带宽来设定的。根据FCC数年前的定义，UWB系统应该是相对带宽（带宽与中心频率之比）大于0.25或带宽超过1.5GHz的系统。最近FCC又修正了对UWB技术的定义，规定相对带宽大于0.2或带宽超过500MHz的系统都可看作UWB系统，并分配3.1-10.6GHz频段作为UWB系统可使用的频段，在该频段内，UWB设备的发射功率需低于-41.3dBm/MHz，以便与其他无线通信系统共存。

这种更宽泛的定义使某些传统无线通信技术也开始被考虑作为UWB通信技术的候选方案。2003年，在IEEE 802.15.3a工作组征集提案时，Intel、TI和XtremeSpectrum （后被Motorola收购）分别提出了多频带（multiband）、正交频分复用（OFDM）、直接序列CDMA （DS-CDMA）等三种方案，后多频带方案和OFDM方案融合，形成了多频带OFDM （MB-OFDM）和DS-CDMA两大方案竞争的格局。这两种方案都是在对传统技术进行改进后满足UWB技术的特征的。MB-OFDM仍然基于128点的OFDM传输，但每个子载波的频宽由几kHz增长到4MHz。而DS-CDMA采用了超过1Gcps的码片速率，与传统CDMA 技术几百kcps的码片速率形成了很大区别。现在大部分研究人员都同意，UWB是指一种频谱使用方案，而不是某种特定技术的名称。

综上所述，当今成为UWB主流方案的两大技术与早期定义的UWB技术在本质上是不同的，它们更适宜被看作OFDM技术和CDMA技术的超宽带改进型。人们在这两种技术上积累的理论知识和实践经验大部分仍适用于UWB技术，只是在具体的技术环节上（如干扰问题、频谱规划、低能耗等）应特别注意。

虽然在超高速无线通信方面，大部分研究开发工作已转向非脉冲方法，但仍有部分研究者坚持对脉冲UWB技术进行改进，希望其成为超高速UWB的备选技术。另外，脉冲UWB 技术在雷达、成像、精确定位（精度1cm）等其他领域仍有其发展空间，IEEE 802.15.4a工作组正在考虑的低速UWB无线通信技术也是脉冲方法可能应用的领域。

3.主流超宽带通信技术介绍

和其他的IEEE 802.1x技术相似，IEEE 802.15.3a技术协议也可分为三层。如图1所示，这三层为物理层、MAC层和汇聚层。各种UWB技术的不同主要体现在物理层和MAC层，汇聚层则将各种不同的应用技术（如无线UWB、无线IEEE 1394等）映射到UWB的MAC 层。当前，UWB物理层技术主要分为MB-OFDM和DS-UWB两个分支。这两种物理层技术在MAC层方面，现在都支持IEEE 802.15.3的MAC层协议。另外，MB-OFDM厂商正在编写新的MAC层协议，以适应发展。

图1、UWB技术协议结构

3.1 MB-OFDM技术介绍

2003年7月在美国召开的IEEE802.15.3a会议上，Intel提出的多频带方案和TI提出的OFDM方案最终融合成了MB-OFDM UWB技术方案，并获得了比DS-CDMA方案更多的支持。虽然此方案也尚未获得成为IEEE标准的75%的票数（截止至2004年7月），但由于得到大多数厂家，尤其是Intel、TI等芯片制造商的支持，很有可能成为最早被业界认同的事实标准。由于两大标准在IEEE802.15.3a内相持不下，MB-OFDM技术的开发推广工作主要在多频带OFDM联盟（MBOA）中展开，该联盟现有173个成员（截止到2004年9月7日），除了Intel和TI以外，还包括松下、索尼、三菱电机、三星、飞利浦、惠普、NEC、诺基亚、夏普、东芝等知名厂商，中国的华为、中国科大和上海大学也加入了该联盟。

3.1.1为什么采用OFDM技术

多频带OFDM联盟考虑采用OFDM技术作为UWB系统的物理层基于如下几个原因：（1）频谱效率高。OFDM技术可使所有子载波之间有很好的正交性，所以可以紧密的排列子载波，从而最大限度的利用频宽。相对于CDMA系统中的多址干扰，

OFDM子载波之间的干扰是很小的，所以OFDM技术被看作超3G的主要核心

技术。同时，OFDM技术已经在无线接入系统（如802.11和802.16）和数字电

视系统中广泛的使用，取得了良好的效果。

（2）抗多径干扰。传统OFDM技术将数MHz带宽分成数百个子载波，使每个子载波只有几kHz或十几kHz，这样每个子载波内的多径衰落可以近似看作水平衰

落，这使OFDM接收机可以将均衡（equalization）过程极大的简化。但需要注

意的是，当前被考虑的多频带OFDM方案总带宽超过500MHz，单子载波带宽

在4MHz以上，所以频率选择性衰落的影响不可忽略，这一点与传统的OFDM

技术有很大不同。但是，多频带OFDM技术仍然可以采用在相邻符号（symbol）

间插入循环前缀（cyclic prefix，CP）来防止码间干扰（inter-symbol interference，

ISI）并保证的子载波之间的正交性，然而由于频率选择性衰落产生的一个符号

之内的多径干扰仍然相当严重，接收机端均衡的压力仍然很大。

（3）抗窄带干扰。在有窄带干扰的环境中，OFDM系统可以通过关闭某些子载波来规避干扰。即使少数子载波受到干扰，OFDM接收机也较容易使用前向纠错码（FEC）解码器纠正信号中的误码。OFDM技术的这一特性对UWB系统有特殊的意义。由于UWB设备需要在很宽的频带中与其他无线通信系统共存，UWB 系统在防止受到其他系统干扰的同时，要保证其他系统的正常使用，这一点是UWB技术是否能顺利推广的一个重要因素。即使UWB设备能够满足相关频率监管部门（如FCC）的发射功率限制，仍需要规避某些敏感频段。OFDM系统可以灵活的关闭与这些频段重叠的子载波来满足要求，以适应各国对本国不同的特殊频段的保护。但是直接序列扩频（DS-SS）系统显然无法做到这一点。

图2显示了OFDM系统如何关闭某些子载波，以保护日本航天无线通信系统所使用的频段。

3332 - 3339 MHz

图2、OFDM系统可关闭某些子载波，规避受保护频段

3.1.2频谱划分

多频带OFDM UWB频谱划分方案曾多次修改，最新的方案如图3所示。该方案将FCC 分配的3.1-10.6GHz频带分为13个频段，每个频段528MHz，用来发送128个点的OFDM 信号，每个子载波占用4MHz左右带宽。这13个频段又分为5组，每组包含三个或两个频段，最初使用的将是低频段组，即第一组。UWB的OFDM传输可以在这三个频段之间跳转，以取得频率分集。高频的频段组既可以单独使用，也可以和低频的频段组联合使用，比如第1组和第3组可以联合使用，获得6个频段的频率分集。UWB系统在多频段之间的跳转方法由时频码（Time-Frequency Code）实现，本文将在3.1.4节介绍。

图3、多频带OFDM频谱划分方案

如图3所示、将很宽的频带分段使用的模式即称为多频带（multiband）技术，这种技术和OFDM技术有相似的优点，如有效、灵活的使用频宽，可以支持各种速率的业务等。多频带技术和OFDM技术联合使用，由多频带粗分频带，由OFDM细分频带，可以灵活的规

避敏感频段，如某个频段内有较多OFDM 子载波对其他系统（例如5.8GHz WLAN 系统）产生干扰，可暂时完全关闭这个频段，转而使用其他频段。

3.1.3 OFDM 技术

多频带OFDM 系统使用的OFDM 技术与传统的OFDM 技术基本是一样的，这从多频带OFDM 发射机的结构（如图4所示）就可以看出，只是每个子载波使用很宽的带宽而已。 信源首先经过信道编码、交织和调制，然后通过快速反付丽叶变换（IFFT ）将并行分布在各子载波上的符号调制成OFDM 时域信号，然后再调制到射频上（由此也可以看出多频带OFDM UWB 技术已与传统的脉冲UWB 技术有本质的不同）。

exp(j 2 f c t )

图4、多频带OFDM 发射机结构

多频带OFDM 系统的技术参数如表1所示。系统采用128点的OFDM 传输，正如前面提到的，由于使用的总频宽很大，128个子载波占用4MHz 带宽，一方面加重了接收机均衡的负担，一方面所加入的循环前缀消耗了较大的系统带宽。现在系统需加入60ns 循环前缀，而符号长度仅为315ns ，循环前缀消耗的带宽接近20%。从原理上讲，应考虑使用更多点数（如1024~4096点）的OFDM 配臵，以减小循环前缀的开销，并减轻多径干扰。但可能出于对复杂度的考虑，多频带OFDM 的标准制定者尚未考虑这一点。

表1、多带OFDM 技术参数

根据不同需求和信道条件，多带OFDM UWB 系统可以提供从55Mbps 到480Mbps 的7种传输速率。这些不同的速率是由不同的信道码码率和时频码扩频系数得到的。其中55Mbps 、110Mbps 和200Mbps 是强制配臵，其余数据率是可选配臵。

3.1.4时频码

多频带OFDM系统使用空频码（time-frequency code）技术获得频率分级，并实现多微微网（piconet）多址。微微网是无线个人网（WPAN）的基本结构单元，一个微微网中的WPAN设备使用相同的物理层配臵，但使用不同的时隙进行通信。一个UWB WPAN系统中可能包含多个微微网，因此需要有效的物理层多址手段防止不同的微微网之间的干扰。

时频码类似于跳频技术。如3.1.2节所述，多频带OFDM技术可使用多个528MHz频段传输OFDM信号，如在第一频段组中，有3个频段可供使用。为了取得频率分集，系统可在3个频段不停的跳转。表2显示了3个频段的时频码，例如，第一个piconet的时频码为123123，意即第一个符号在频段1发送，第二个符号在频段2发送，第三个符号在频段3发送，第四个符号在频段1发送……，以此类推。另外，同一个符号还可以在不同的频段重复发送，以避免受到窄带干扰的影响。一个符号重复发送的次数称为扩频系数（spreading rate），如表1所示，多频带OFDM系统支持1、2、4三种扩频系数。当然，扩频系数越大，得到的数据率就越小。

表2、多频带OFDM使用的

另外，时频码也可以用来实现多址，如表2所示，3个频段的时频码可支持4个piconet 共存，如果同时使用图3中的5个频段组，系统最多可支持18个piconet。然而，我们也注意到，现有多频带OFDM时频码使用的频段数量很少，因而跳频增益也很小。如表2所示的3频段配臵，任意两个piconet都有1/3的符号在同一频段发送，这意味着任意一个piconet 都至少有1/3的符号受到其他piconet的干扰，同时使用的piconet数量也多，piconet间的干扰也越大。可见，时频码的多址能力是很有限的，当多个piconet同时使用时，每个piconet 的系统容量将显著降低。多频带OFDM的设计者们显然是假设：在大多数时候在近距离内只有一个piconet存在，可能构成干扰的piconet与这个piconet的距离都较远。

3.2 DS-CDMA技术介绍

在2003年7月IEEE 802.15.3a会议上被选的另一种技术是直接序列CDMA（DS-CDMA）技术。CDMA技术广泛应用于2G和3G移动通信系统，在UWB系统中使用的CDMA技术与在传统通信系统中使用的CDMA技术没有本质的区别，只是使用了很高的码片速率，以获得符合UWB技术标准的超宽带宽。

在2004年9月北京召开的无线技术大会上，飞思卡尔（freescale）半导体公司（原Motorola 半导体部）声称，已向市场推出基于DS-UWB技术和802.15.3 MAC层协议的套片（包括从射频、基带到MAC层的芯片）。

3.2.1频谱划分

与MB-OFDM方案相同，DS-UWB方案也使用FCC分配的3.1-10.6GHz免许可频段。该方案将所有频带分为两个频段：3.1-4.85GHz频段（称为低频段）和6.2-9.7GHz频段（称

为高频段），如图5所示。

图5、DS-UWB的频谱分配方案

在每个频段中，DS-CDMA系统将基带信号扩频到整个带宽。这种频率划分方案避开了5-6GHz无线接入频段，但灵活性较差，可能无法规避将来出现的新技术使用的频段。但DS-UWB信号占用的带宽（如低频段为 1.75GHz）远远大于MB-OFDM信号的带宽（528MHz），所以更容易达到很低的功率谱密度。

3.2.2DS-CDMA技术

DS-UWB使用的CDMA技术与现在广泛应用于2G和3G蜂窝系统地CDMA技术基本相同，只是采用很高的码片速率（chip rate）以获得超宽的带宽。低频段码片速率大于1.3GHz，高频段码片速率大于2.6GHz，远远大于UMTS系统的3.84MHz。系统可实现25Mbps到1.3Gbps数据率。

DS-UWB系统使用BPSK和4BOK（quaternary bi-orthogonal keying）调制，这两种调制技术都具有很低的复杂度，4BOK调制可提供两倍于BPSK调制的速率，但只略微增加复杂度。使用1/2和3/4码率的卷积码作为纠错码，扩频码长度从1到24不等。通过采用各种不同的调制方法、纠错码码率、何扩频增益（扩频码长度），可以实现各种不同的数据率，如表3~表6所示。

表3、在低频段采用BPSK可实现的各种物理层配臵

表4、在低频段采用4-BOK可实现的各种物理层配臵